【文章內(nèi)容簡介】 超級電容充電的工作模式，圖 描述了該工作模式下能量流向。 圖 能量流向圖 該工作模式下， boost 變換器工作于恒流模式，單片機控制系統(tǒng)檢測鉛酸電池的充電狀態(tài)。充電完成時，若未檢測到系統(tǒng)充電控制開關(guān)斷開，系統(tǒng)切換到下一充電模式，否則系統(tǒng)退出充電狀態(tài)。 Mode3： 光伏電池經(jīng) boost 變換器給超級電容充電的工作模式，圖 描述了該工作模式的能量流向。 圖 能量流向圖 該工作模式下， boost 變換器依然工作于恒流模式，需要注意的 是由于 boost 變換器的工作特性，其輸出電壓一定不會比輸出電壓低，因此不能直接用來給超級電容充電，必須使 boost 變換器最低輸出電壓和超級電容上電壓的差值在一個很小的范圍是，才可用 boost 變換器來個超級電容充電，因此該模式必須在 Mode1 完成的狀態(tài)下，系統(tǒng)才能轉(zhuǎn)換到當前工作模式。模式之間相互轉(zhuǎn)換時，必須十分注意此順序，轉(zhuǎn)換到該模式時，軟件控制中，也需檢測輸入電壓和超級電容的電壓，來判斷是否可以進行該模式轉(zhuǎn)換。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 以上就是對系統(tǒng)處于充電狀態(tài)下的各種工作模式分析，下面分析系統(tǒng)處于放電狀態(tài)下時，各工作模式。系統(tǒng) 處于該狀態(tài)下時，吸收能量的只有電機負載，提供能量的有太陽能電池板、鉛酸電池和超級電容。由于電機吸收能量是有啟動和穩(wěn)定運行兩種狀態(tài)，不同狀態(tài)下，提供能量的對象不同，這里有 2 種工作模式。 Mode4：電機負載啟動，光伏電池、超級電容及鉛酸電池一同給負載供電的工作模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 能量流向圖 該工作模式下，由于電機啟動電流較大，需要超級電容為其提供啟動過程中所需的大電流，電機啟動過程結(jié)束，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，將超級電容從電路中切除，轉(zhuǎn)換到另一工作模式。光伏電池通過 boost 變換器給電機供電時，單片機控制電路將 boost 變換器切換到恒壓模式。 Mode5：電機負載穩(wěn)定運行，光伏電池和鉛酸電池給負載供電的工作模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 能量流向圖 電機負載啟動結(jié)束后，電機進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此狀態(tài)下，無需超級電容提供大電流，將超級電容切除，只有鉛酸電池和光伏電池給負載供電， boost 變換器工作于恒壓模式。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 由于電機還有制動這一工作狀態(tài)，此時電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，處于發(fā)電狀態(tài)，為了充分利用能量，可用超級電容來吸收電機制動時的能量回饋。 Mode6：超級電容吸收電機制動時能量回饋模式。圖 為該模式下能量流向圖。 圖 能量流向圖 當系統(tǒng)各模塊均不工作時，系統(tǒng)處于停止模式，記該 模式為 Mode7。 各工作模式下繼電器狀態(tài) 了解清楚系統(tǒng)的各個工作模式，還需確定在各種工作模式下，繼電器的相關(guān)狀態(tài)，才能清楚如何控制系統(tǒng)在各個模式之間轉(zhuǎn)換。參見繼電器控制連接框圖繪制表格表明各個工作模式下繼電器的狀態(tài)如下： 表 各工作模式下繼電器狀態(tài)表 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 Mode1 OFF ON 觸點 2 觸點 4 OFF OFF 觸點 6 Mode2 ON OFF 觸點 1 觸點 4 OFF OFF 觸點 5 Mode3 ON OFF 觸點 2 觸點 3 OFF OFF 觸點 6 Mode4 ON OFF 觸點 1 觸點 4 ON ON 觸點 5 Mode5 ON OFF 觸點 1 觸點 4 ON OFF 觸點 5 Mode6 OFF OFF 觸點 2 觸點 4 OFF ON 觸點 5 Mode7 OFF OFF 觸點 2 觸點 4 OFF OFF 觸點 5 表 表明了系統(tǒng)在各種工作模式下時，各繼電器的開端狀 態(tài)或觸點連接狀態(tài)，由表可清楚看出系統(tǒng)在不同模式之間進行轉(zhuǎn)換時繼電器狀態(tài)的變化，由于系統(tǒng)在模式轉(zhuǎn)換過程中各個模塊之間連接順序不是隨意的，繼電器切換的過程還需要根據(jù)繼電器連接框圖確定具體的切換順序。下面分析各種工作模式之間進行模式轉(zhuǎn)換時，繼電器的具體操作順序。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 各工作模式間轉(zhuǎn)換時繼電器操作順序 根據(jù)上表可知，系統(tǒng)處于不同的工作模式下時，對應著不同的繼電器狀態(tài)，切換系統(tǒng)的工作模式時，就必須控制繼電器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程的步驟不是隨意的，否則可能會使得系統(tǒng)進入一個不可知的狀態(tài)，造成系統(tǒng)的功能紊亂，嚴重時 可能還會造成系統(tǒng)短路，損壞系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作模式與負載的工作狀態(tài)息息相關(guān)，必須考慮系統(tǒng)切換過程中繼電器狀態(tài)變換順序。下面分析負載處于不同的工作狀態(tài)時，系統(tǒng)的工作模式以及相應模式的切換。 負載不工作時： 圖 負載不工作時系統(tǒng)所有可能模式轉(zhuǎn)換圖 負載不工作時，系統(tǒng)啟動之后，進入充電模式，首先工作于 Mode1，即光伏電池通過 buck 變換電路對超級電容充電。 buck 變換器對超級電容的充電完成時，系統(tǒng)切換工作模式，進入 Mode2，即光伏電池通過 boost 變換器對鉛酸電池充電。當光伏電池對鉛酸電池的充電完成時，系 統(tǒng)再切換到 Mode3，即光伏電池通過 boost 變換器對超級電容充電。超級電容的電壓達到 boost 變換器輸出電壓上限時，停止充電，系統(tǒng)切換到停止模式。除了以上相關(guān)切換過程之外，考慮到系統(tǒng)處于任意工作模式時，可能因為外界因 素，人為控制，系統(tǒng)需從其中任意模式直接進入停止模式，還需分析以上任一模式下，如何切換到停止模式。 （ 1） 系統(tǒng)啟動進入 Mode1，即由停止模式進入光伏電池經(jīng) buck 變換器給超級電容充電 。 系統(tǒng)啟動前，處于停止模式，該過程即是有 Mode7 轉(zhuǎn)換見到 Mode1。 分析各工作模式下繼電器狀態(tài)表可知： 由 Mode7 到 Mode1 的轉(zhuǎn)換只有 SW2， SW7 的狀態(tài)發(fā)生了變化。操作步驟： ① 合上 SW2 ② SW7 接觸點 6 （ 2） Mode1轉(zhuǎn)換到 Mode2，即光伏電池經(jīng) buck變換器給超級電容充電切換到經(jīng) boost20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 變換器給鉛酸電池充電 。 該轉(zhuǎn)換過程 SW1， SW2， SW3， SW7 狀態(tài)均發(fā)生了變化。操作步驟： ① 斷開 SW2 ② SW7 接觸點 5 ③ 合上 SW1 ④ SW3 接觸點 1 （ 3） Model2 轉(zhuǎn)換到 Model3，即光伏電池經(jīng) boost 變換器由給鉛酸電池充電切換到給 超級電容充電。 該轉(zhuǎn)換過程 SW3， SW4， SW7 狀態(tài)發(fā)生變化。 操作步驟： ① SW7 接觸點 6 ② SW3 接觸點 2 ③ SW4 接觸點 3 （ 4） Model1 轉(zhuǎn)換到 Model7，光伏電池經(jīng) buck 變換器給超級電容充電切換到停止模式 。 該轉(zhuǎn)換過程 SW2， SW7 的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 斷開 SW2 ② SW7 接觸點 5 （ 5） Model2 轉(zhuǎn)換到 Model7，即光伏電池經(jīng) boost 變換器由給鉛酸電池充電切換到停止模式 。 該轉(zhuǎn)換過程 SW1， SW3 的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 斷開 SW1 ② SW3 接觸點 2 （ 6） Model3 轉(zhuǎn)換到 Model7，光伏電池經(jīng) boost 變換器給超級電容充電切換到 停止模式 。 該轉(zhuǎn)換過程 SW1， SW4， SW7 的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① SW7 接觸點 5 ② 斷開 SW1 ③ SW4 接觸點 4 以上是負載不工作時，系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過程中需要進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器及其操作順序分析。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 負載啟動到穩(wěn)定運行以及制動停止： 圖 負載啟動到穩(wěn)定運行以及制動停止所有可能模式轉(zhuǎn)換圖 電機負載啟動時需要較大的啟動電流，此時工作于 Model4，由鉛酸電池，超級電容，光伏電池經(jīng) boost 變換器同時給負載供電，超級電容主要是為了提供電機啟動所需的電流。當電機啟動之后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此 時將超級電容從電路中切除，由鉛酸電池和光伏電池給負載供電，系統(tǒng)進入工作模式 Model5，電機負載穩(wěn)定運行模式。當接受到制動命令式，系統(tǒng)進入制動狀態(tài)，即工作模式 Mode6，此過程可能發(fā)生在系統(tǒng)啟動或穩(wěn)定運行過程中。制動結(jié)束后系統(tǒng)進入停止模式。 （ 1）系統(tǒng)啟動到 Model4，即由停止模式進入電機負載啟動模式，此切換過程即由Model7 切換到 Model4， SW1， SW3， SW5， SW6 狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟： ① 合上 SW1 ② SW3 接觸點 1 ③ 閉合 SW6， SW5 （ 2） Model4 轉(zhuǎn)換到 Model5，即電機啟動模 式進入穩(wěn)定運行模式，此時切除超級電容對負載的供電。 此過程僅 SW6 狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：斷開 SW6 （ 3） Mode4 轉(zhuǎn)換到 Mode6，即電機啟動模式進入制動模式，此時 SW1， SW3， SW5 狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 斷開 SW5 ② 斷開 SW1 ③ SW3 接觸點 2 （ 4） Mode5 轉(zhuǎn)換到 Mode6，即電機穩(wěn)定運行到制動模式，此時 SW1， SW3， SW5，SW6 狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 閉合 SW6 ② 斷開 SW5 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ③ 斷開 SW1 ④ SW3 接觸點 2 （ 5） Mode6 轉(zhuǎn)換到 Mode7，即制動模式結(jié)束后轉(zhuǎn)換到停止模式，此 時 SW6 的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開 SW6。 以上是負載 啟動到穩(wěn)定運行以及制動停止， 系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過程中需要進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器及其操作順序分析。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各種工作模式，各種工作模式下的控制狀態(tài)，以及不同狀態(tài)間進行轉(zhuǎn)換的控制操作。通過本章的分析，可清楚各個模式間轉(zhuǎn)換的具體操作，方便后面軟件的設(shè)計。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 3 章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計 各組成模塊介紹 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由太陽能電池組件（或方陣）、蓄電池（組）、光伏控制器、逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）以及一些測試、監(jiān)控、防護等附屬設(shè)施構(gòu)成。 太陽能電池方陣吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫撠煴Ｗo蓄電池，防止出現(xiàn)過充或過放電狀態(tài)，即在蓄電池達到一定的放電深度時，控制器將自動切斷負載，當蓄電池達到過充電狀態(tài)時，控制器將自動切斷充電電路。 有的控制器能夠顯示獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測、遙信和遙控的 功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中， DCAC 逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負載需要的交流電。 圖 獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)供電采用光伏電池板，光伏電池板一種通過光電效應或者光化學效應直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。光伏電池在系統(tǒng)中作為能量輸入源。 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計要本著合理性、實用性、高可靠性和高性價比（低成本）的原則。做到既能保證光伏系統(tǒng)的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要，同時又能使系統(tǒng)的配置最合理、最經(jīng)濟，特別是確定使用最少的太陽 能電池組件功率和蓄電池的容量。協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，在滿足需要保證質(zhì)量的前提下節(jié)省投資，達到最好的經(jīng)濟效益。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 單片機 本課題中單片機采用的是飛思卡爾的 8位單片機 MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成員，提供多種模塊，內(nèi)存大小和封裝類型 [5]?？筛鶕?jù)實際應用選擇，這里選擇的是 20Pin 封裝。該單片機包含模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC、 IIC 總線、時鐘模塊 MTIM、實時時鐘 RTC、脈寬調(diào)制模塊 TPM 等等 [錯誤 !未定義書簽。 ]，完全滿足該課題的需求。 其引腳分布圖如下 : 圖 MC9S08SG16 引腳分布圖 [錯誤 !未定義書簽。 ] 控制器 DCDC 變換電路 DCDC 變換電路不僅轉(zhuǎn)換效率很高，而且可通過對半導體開關(guān)通 斷時間控制來控制輸出的電壓電流，可方便調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出供率，追蹤最大功率工作點 [6]。本課題采用的是 buck 和 boost 變換電路。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學院 科技學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 單片機控制原理圖 單片機供電模塊 圖 系統(tǒng)及單片機輔助供電模塊電路圖 該部分為輔助電源模塊，芯片 L7805為穩(wěn)壓輸出芯片，輸出電壓為 5V，用來個單片機供電， LM317為線性穩(wěn)壓芯片這里設(shè)計輸出電壓為 12V，用來給系統(tǒng)中運算放大器及MOSFET 驅(qū)動電路相關(guān)芯片供電。 通信模塊 圖 單片機與計算機通信模塊電路圖 [7] 串口模塊可實現(xiàn)單片機與計算機的通信，單片機可將采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機顯示，方便程序的運行調(diào)試。通